Определение качественного и количественного состава веществ и смесей веществ

Определение качественного и количественного состава веществ и смесей веществ.

План

1. Качественный анализ
1.1 "Сухой" метод анализа
1.2 "Мокрый" метод анализа
1.3 Микрокристаллоскопический метод анализа
1.4 Дробный и систематический анализ
2. Количественный анализ
2.1 Гравиметрический метод анализа
2.2 Титриметрический метод анализа
2.3 Окислительно-восстановительное титрование. Иодометрия
2.4 Комплексонометрическое титрование
3. Разделение предложенной смеси
Заключение
Список использованной литературы
смесь катион очистка разделение

1. Качественный анализ

Анализируемая проба в большинстве случаев содержит несколько компонентов в различных соотношениях. Для разделения и концентрирования компонентов анализируемой смеси используют методы осаждения, соосаждения, экстракции, хроматографии, электролиза, электрофореза, дистилляции, сублимации, зонной плавки, флотации и др. В основе большинства методов разделения лежит принцип избирательного распределения компонентов пробы между двумя разделяющимися фазами. Открываемый компонент пробы переводят по возможности полностью в одну из фаз.
Для анализа сложных многокомпонентных смесей используют метод последовательного отделения с помощью групповых реагентов небольших групп ионов. Дальнейший анализ этих групп проводят дробным методом, а при необходимости используют дополнительное разделение в каждой группе. Строгую последовательность отделения групп с использованием групповых реагентов называют систематическим ходом анализа. Последовательно отделяемые в систематическом ходе анализа группы ионов называют аналитическими группами. Они лежат в основе аналитической классификации ионов. Для разных схем систематического анализа состав аналитических групп различен, он зависит от используемых групповых реагентов и условий осаждения. Таким образом, на практике для анализа смесей элементов используют сочетание дробного и систематического хода анализа.
Существует несколько схем систематического анализа смесей ионов. В них наиболее широко для целей разделения используют осаждение, затем экстракцию и распределительную (бумажную) и ионообменную хроматографии. Перед систематическим анализом обычно проводят предварительные испытания дробными реакциями. Их результаты вместе с другими данными о свойствах и предполагаемом составе пробы помогают выбрать ту или иную схему систематического хода анализа.
Качественный анализ позволяет определить, какие элементы, молекулы входят в состав анализируемого образца или какие отсутствуют. При анализе неорганических веществ обычно имеют дело с водными растворами солей, кислот и оснований, в растворах которых они диссоциированы на ионы. Поэтому реакции происходят между свободными ионами и открываются непосредственно не элементы, а образуемые ими ионы (катионы и анионы). Например, для открытия хлора в HCI или в растворах хлоридов на них действуют раствором AgNO3. При этом выпадает характерный творожистый осадок белого цвета AgCI:

Ag+ + Cl- = AgCl.

Сущность рассматриваемой реакции заключается во взаимодействии находящихся в растворе ионов Ag+ и Cl-. Но если бы хлор присутствовал в видеClO3- - хлорат иона - или в виде недиссоциированных молекул хлороформа CHCl3, то эта реакция не имела бы места. Отсюда ясно, что, применяя эту реакцию, мы открываем не элемент хлор, а ион Cl-. Если элемент образует ионы различной валентности, то для каждого из них характерны свои реакции.

Поэтому качественный анализ неорганических веществ подразделяется на анализ катионов и анализ анионов сложного вещества.
В химическом качественном анализе применяют два типа реакций:

• 
  реакции обнаружения (открытия иона);
  
• 
  реакции разделения ионов.
  

Реакции обнаружения – аналитический сигнал – должны сопровождаться визуальным эффектом:

• 
  выпадение осадка определенного цвета и структуры;
  
• 
  изменение цвета раствора;
  
• 
  выделение газа;
  
• 
  исчезновение окраски;
  
• 
  растворение осадка.
  

Таким образом, по этим признакам судят о присутствии или отсутствии иона.
Реакции разделения применяются в систематическом анализе, когда присутствие одних ионов мешает обнаружению других ионов, при этом применяются реактивы, способные отделить один или несколько ионов: в виде осадка; путем растворения осадка.
Требования к разделению:

• 
  реакции должны протекать быстро;
  
• 
  продукты должны иметь малую растворимость для полноты осаждения;
  
• 
  получающиеся осадки должны иметь кристаллическую структуру.
  

Способы выполнения аналитических реакций
В одних случаях вещества анализируют сухим путем, т.е. без перевода их в раствор, а в других случаях – мокрым путем.

1.1 "Сухой" метод анализа

При выполнении анализа "сухим" методом исследуемые вещества и реактивы находятся в твердом состоянии. Большинство подобных определений связаны с нагреванием и образуют группу пирохимических методов анализа. К ним относят метод окрашивания пламени, метод окрашивания "перлов" буры, соды и других соединений, метод нагревания в калильной трубке и др. К "сухим" методам анализа относят и метод растирания порошков.

При выполнении реакций сухим способом вещества берут в твердом виде и обычно нагревают до высокой температуры. Аналитическим сигналом является:

• 
  окрашивание пламени летучими солями некоторых металлов – основан на способности некоторых элементов и их соединений (щелочные, щелочно-земельные металлы, медь, бор и др.) окрашивать пламя в определенный цвет. Например: натрий – желтый, калий – фиолетовый, кальций – кирпично-красный, стронций – карминово-красный, барий – желтовато-зеленый, медь – ярко-зеленый. Пробу на присутствие иона проводят с помощью тщательно очищенной платиновой или нихромовой проволочки, один конец которой вплавлен в стеклянную трубку небольшого диаметра, а другой согнут в маленькую петлю (ушко). Ушко раскаленной проволочки вводят в анализируемое вещество, а затем вносят в наиболее горячую часть газовой горелки.
  
• 
  образование окрашенных перлов (стекол). Некоторые вещества при сплавлении с тетраборатом натрия Na2B4O7∙10Н2О, "фосфатной солью" NaNH4HPO4∙4H2O и другими соединениями дают окрашенные стекла – "перлы". Для получения "перла" буры ушко раскаленной платиновой проволочки вводят в твердую буру, нагревают в пламени горелки до прекращения вспучивания, охлаждают и, коснувшись полученным "перлом" анализируемого вещества, вновь вводят ушко проволочки в пламя горелки, а затем охлаждают. По окраске "перла" судят о присутствии того или иного элемента. Если вещество совсем не возгоняется, в его составе отсутствуют летучие компоненты. Судить о присутствии тех или иных соединений можно по окраске возгона. Так, соли аммония, хлорид и бромид ртути, оксиды мышьяка и сурьмы дают белый возгон, сернистые соединения ртути и мышьяка, иодид ртути, сера – желтый возгон; другие соединения ртути, мышьяка, иодиды – серый или черный возгон. Наряду с возгонкой при нагревании может происходить выделение различных газов и паров, что даст информацию о качественном составе вещества. Например, кислород выделяется, если в анализируемой пробе присутствуют перманганаты, нитраты, пероксиды и др.; оксид углерода (IV) СО2 выделяется при разложении карбонатов; оксиды азота – при разложении нитратов и нитритов; пары воды – при разложении кристаллогидратов, гидроксидов, органических соединений и т.д. Калильная трубка представляет собой пробирку из тугоплавкого стекла или кварца длиной 5–6 см, диаметром 0,5 см. Небольшое количество анализируемого вещества насыпают в трубку, медленно и осторожно нагревают в пламени горелки и наблюдают за происходящим явлением.
  
• 
  Метод растирания порошков. Присутствие ионов того или иного элемента обнаруживают по образованию соединений с характерным цветом или запахом. Так, при растирании смеси тиоцианата аммония NH4NCS или тиоцианата калия KNCS с солями Fe3+ появляется красно-бурое окрашивание, а с солями Со2+ – синее. Растирание проводят в фарфоровой ступке или на специальной фарфоровой пластинке.
  

Все "сухие" методы анализа используют только для вспомогательных или проверочных определений.

1.2 "Мокрый" метод анализа

При анализе мокрым путем исследуемое вещество переводят в раствор, используя дистиллированную воду, минеральные кислоты, водный раствор аммиака, сильной щелочи, некоторые органические растворители и т.д., и ведут анализ раствора. Следовательно, механизм протекающих реакций может быть представлен только ионным уравнением. Например, для реакции Pb(NO3)2 + 2KI → PbI2↓ + 2KNO3 уравнение в ионной форме имеет вид:

Рb2+ +2I– → РbI2↓.

Из ионного уравнения видно, что осадок РbI2 образуется при взаимодействии катионов Рb2+ и анионов I–. Один и тот же элемент может существовать в растворах в виде разных ионов:

Fe3+ – Fe2+; Zn2+ – ZnO22–;
Mn2+ – MnO4– – MnO42–;
Sn2+ – SnO22– – SnO32– и т.д.

Каждый из этих ионов имеет свои характерные реакции. Выполняют реакции "мокрым" методом в химических или центрифужных пробирках и на фильтровальной бумаге.

Классификация методов по количеству вещества
В зависимости от массы анализируемого вещества и объема растворов методы анализа делят на макро-, полумикро-, микро-, ультрамикро-, субмикро- и субультрамикрометоды. Соответственно различают и технику выполнения отдельных операций.
Наиболее широкое применение в качестве анализа получил полумикрометод с элементами микроанализа. Этот метод имеет ряд преимуществ: для выполнения реакции расходуется небольшое количество анализируемого вещества и реактивов; сокращается время, затрачиваемое на выполнение анализа, за счет замены фильтрования осадков центрифугированием; резко сокращается выброс вредных газообразных веществ, тем самым улучшаются санитарно-гигиенические условия работы.

1.3 Микрокристаллоскопический метод анализа

Кристаллы характерной формы получают путём внесения капли раствора или кристаллика реактива в каплю исследуемого вещества, помещённую на предметное стекло. По мере испарения воды по периметру капли появляются кристаллы продукта реакции характерной формы, которые рассматриваются под микроскопом.

Проводя аналитическую реакцию, необходимо создавать определённые условия, зависящие от свойств образующихся продуктов, так как иначе результат реакции окажется недостоверным. К таким условиям относятся:
1) pH раствора – надлежащая среда – это одно из важнейших условий проведения реакции, которая в случае необходимости создаётся прибавлением к раствору кислоты или щелочи. По каплям к анализируемому раствору добавляют кислоту или щёлочь до нужной величины pH, постоянно проверяя по цветной шкале универсального индикатора;
2) температура – для получения аналитического сигнала некоторые рекции необходимо проводить при нагревании на водяной бане или пламени спиртовки, так как на холоде или при комнатной температуре они не проходят;
3) концентрация – она должна быть достаточно большая, иначе при малых значениях концентрации реакции перестают удаваться. Причина соблюдения условия достаточной концентрации: всякое вещество может выпадать в осадок только тогда, когда оно образуется в растворе в концентрации, превышающей его растворимость при данных условиях. Если вещество очень трудно растворимо, оно выпадает в осадок уже при очень малой концентрации открываемого иона: соответствующая реакция называется чувствительной. А при значительной растворимости образующегося соединения реакция мало чувствительна и удаётся лишь при большой концентрации открываемого иона. То же относится и к реакциям, сопрвождающимся изменением окраски.
Количественно чувствительность реакций характеризуют взаимно связанными показателями: открываемым минимумом и предельным разбавлением. Открываемый минимум – это наименьшее количество вещества или иона, которое может быть открыто посредством данной реакции, выражают его в микрограммах (m) (10-6 г). Открываемый минимум неполностью характеризует чувствительность реакции, т.к. имеет значение не только абсолютное количество, но и концентрация соответствующего вещества или иона в растворе. Поэтому указывают также и предельное разбавление, которое характеризует наименьшую концентрацию вещества (иона), при которой он может быть обнаружен. Предельное разбавление выражают отношением весовой части вещества к весовому количеству раствора (G).
Между открываемым минимумом m (выраженным в микрограммах) и предельным разбавлением (G) существует соотношение

m = V·10-6/G,

где V – объём раствора, мл.

Чувствительность реакций, служащих для открытия одного и того же иона, различна.

Например, для иона Cu2+:

Реактив	Образующееся соединение	Эффект реакции	Открываемый минимум, мг	Предельное разбавление 1: G
1. HCI	H[CuCI3]	Зелёное окрашивание раствора	1	1:50000
2. NH3	[Cu(NH3)4]СI2	Синее окрашивание раствора 0,2	0,2	1:250000
3.Cu2[Fe(CN)6]	K4[Fe(CN)6]	Коричневое окрашивание раствора/осадщк	0.02	1:2500000

Таким образом, наиболее чувствительной является реакция №3 с K4[Fe(CN)6], позволяющая обнаружить в 50 раз меньшее количество меди в растворе, чем при действии HCI, и в 10 раз меньшее, чем при действии NH3.

1.4 Дробный и систематический анализ

Существует два метода выполнения качественного анализа смеси катионов и анионов.

Дробный анализ (метод) состоит в том, что анализируемый раствор делят на большое количество порций и в каждой из них специфическими реакциями обнаруживают отдельные ионы. Специфической реакцией на данный ион называется та реакция, которая позволяет открыть его в смеси с другими ионами специфическими реактивами. Достоинство метода – быстрота проведения анализа. Однако таким путём удаётся открыть только немногие ионы, так как число специфических реакций невелико. Часто в растворе присутствуют ионы, мешающие определению. Если действие этих ионов устранить сложно, то применяют систематический или последовательный анализ.
В ходе систематического анализа соблюдают определённую последовательность обнаружения искомых ионов. В этом случае наряду с реакциями открытия отдельных ионов приходится прибегать к реакциям отделения их друг от друга групповыми реагентами. Порядок разделения ионов групповыми реагентами должен проводиться в определенной последовательности, которую нельзя нарушать. В систематическом ходе анализа ионы выделяют из сложной смеси не по одному, а целыми группами, пользуясь одинаковым отношением их к действию групповых реактивов.
Методика выполнения основных операций полумикроанализа
В основе многих аналитических реакций лежит реакция осаждения. К анализируемому раствору в конической пробирке по каплям добавляют соответствующий реактив. При осаждении необходимо перемешивать раствор. После выпадения осадка надо проверять полноту осаждения. Для этого после того как жидкость над осадком станет прозрачной, добавляют ещё каплю осадителя. Если в растворе не появится муть, полнота осаждения достигнута. В противном случае добавляют ещё несколько капель осадителя. Если для проведения осаждения необходимо нагревать раствор, то пробирки помещают в водяную баню. Для отделения осадков от растворов в качественном анализе применяют центрифугирование. Поэтому анализ проводят в конических центрифужных пробирках. После окончания центрифугирования плотный осадок остаётся на дне пробирки, а центрифугат (надосадочная жидкость) при этом осветляется и от осадка легко отделяется пипеткой или сливанием. Если анализируют осадок, то перед растворением его промывают 2-3 раза небольшим количеством дистиллированной воды, каждый раз отделяя фильтрат центрифугированием. Для уменьшения растворимости осадков в промывную воду добавляют несколько капель осадителя. Растворение осадков проводят путём медленного (по каплям) прибавления растворителя к осадку с одновременными перемешиванием стеклянной палочкой. При необходимости смесь нагревают на водяной бане.